INTRODUCCION

El ensayo de permeabilidad es de gran importancia, ya que el suelo, en su mayoría,

esta constantemente en contacto con el agua, y es de gran interés para fines

ingenieriles conocer el comportamiento del suelo. Como lo sería en el caso en la

construcción de taludes, que uno de los factores de gran importancia para que no falle

el talud seria conocer la permeabilidad del suelo en su diseño.

Los suelos tienen vacios interconecta dos a través de los cuales el puede fluir de

puntos de alta energía a puntos de baja energía. El estudio del flujo del agua a través

de un suelo como medio poroso es importante en la mecánica de suelo, siendo

necesario para estimar la cantidad de infiltración subterránea bajo varias condiciones

hidráulicas, para investigar problemas que implican el bombeo de agua para

construcciones subterráneas y para el análisis de estabilidad de las presas de tierra y

de estructuras de retención de tierra sometidas a fuerzas de filtración (Braja M Das.

2001).

El procedimiento para establecer los valores representativos del coeficiente de

permeabilidad de los suelos granulares que pueden ocurrir en depósitos naturales

como colocado en muros de contención (Norma ASTM D-2434).

La permeabilidad de un suelo puede medirse en el laboratorio o en el terreno; las

determinaciones de laboratorio son mucho más fáciles de hacer que las de in situ.

Debido a que la permeabilidad depende mucho de la estructura del suelo (tanto

microestructura como la macroestructura) y debido a la dificultad de obtener

muestras de suelo representativas, suelen ser necesarias las determinaciones in situ

de la permeabilidad media. Sin embargo, las pruebas de laboratorio permiten estudiar

la relación entre la permeabilidad.

OBJETIVOS

Conocer la teoría sobre coeficiente de permeabilidad mediante el método de

cabeza constante para el flujo laminar de agua a través de suelos granulares.

Conocer como conceptos sobre la capacidad que posee el suelo de permitir el

paso de agua a través de los vacíos existentes en el.

Establecer las características del suelo, teniendo en cuenta la capacidad de

filtración, para tomar previas decisiones con cada tipo de suelo.

MARCO TEORICO

PERMEABILIDAD:

1. Concepto de permeabilidad.

Permeabilidad es la propiedad que tiene el suelo de transmitir el agua y el aire y es una de

las cualidades más importantes que han de considerarse para la piscicultura. Un estanque

construido en suelo impermeable perderá poca agua por filtración.

Mientras más permeable sea el suelo, mayor será la filtración. Algunos suelos son tan

permeables y la filtración tan intensa que para construir en ellos cualquier tipo de

estanque es preciso aplicar técnicas de construcción especiales. En un volumen de está

colección que aparecerá próximamente se ofrecerá información sobre dichas técnicas.

Porosidad: El volumen ofrecido por los poros es igual en el suelo A que en el B. Los poros de A son más grandes pero hay menor número, mientras que en B los poros son más pequeños pero más numerosos.

Permeabilidad: El suelo A presenta una permeabilidad más baja ya que el agua fluye por él más lento al ser los poros de menor tamaño. Además, el agua se adhiere a la superficie de los granos dificultando su movilidad. En el suelo B la superficie ofrecida por los clastos es

menor y los poros son de mayor tamaño.

2. ¿Qué factores afectan a la permeabilidad del suelo?

Muchos factores afectan a la permeabilidad del suelo. En ocasiones, se trata de factores en

extremo localizados, como fisuras y cárcavas, y es difícil hallar valores representativos de

la permeabilidad a partir de mediciones reales. Un estudio serio de los perfiles de suelo

proporciona una indispensable comprobación de dichas mediciones. Las observaciones

sobre la textura del suelo, su estructura, consistencia, color y manchas de color, la

disposición por capas, los poros visibles y la profundidad de las capas impermeables

como la roca madre y la capa de arcilla, constituyen la base para decidir si es probable que

las mediciones de la permeabilidad sean representativas.

El suelo está constituido por varios horizontes, y que, generalmente, cada uno de ellos

tiene propiedades físicas y químicas diferentes. Para determinar la permeabilidad del

suelo en su totalidad, se debe estudiar cada horizonte por separado.

3. La permeabilidad del suelo se relaciona con su textura y estructura

El tamaño de los poros del suelo reviste gran importancia con respecto a la tasa de

filtración (movimiento del agua hacia dentro del suelo) y a la tasa de percolación

(movimiento del agua a través del suelo). El tamaño y el número de los poros guardan

estrecha relación con la textura y la estructura del suelo y también influyen en su

permeabilidad.

a. Variación de la permeabilidad según la textura del suelo

Por regla general, como se muestra a continuación, mientras más fina sea la textura del

suelo, más lenta será la permeabilidad:

Arenosos 5.0   cm/HRFranco arenosos 2.5   cm/HRFranco 1.3    cm/HRFranco arcillosos 0.8     cm/HRArcilloso limosos 0.25   cm/HRArcilloso 0.05    cm/HR

b. Variación de la permeabilidad según la estructura del suelo

La estructura puede modificar considerablemente las tasas de permeabilidad mostradas

anteriormente de la forma siguiente:

Tipo de estructura Permeabilidad

Laminar- Gran traslapo

Demuy lentaamuy rápida

- Ligero traslapoEn bloquePrismáticaGranular

4. La Ley De Darcy

4.1. La experiencia de Darcy

En 1856 Henry Darcy a través de experimentos utilizando el modelo mostrado

encontró que el caudal que atravesaba el cilindro de arena era linealmente

proporcional a la sección y al gradiente hidráulico:

Nos permite la determ la velocidad de flujo con el agua que pasa a travez de un estrato de suelo.

Q=kA (h3−h4 )

L

donde:Q = Flujo o caudal de salida (L3/T)k = Permeabilidad o Conductividad hidráulica (L/T)A = Área transversal al flujo (L2)L = Distancia entre piezómetros (L)(h3-h4) = Pérdida de carga (L)

k se denomina coeficiente de permeabilidad de Darcy, simplemente permeabilidad o

mejor conductividad hidráulica, y es una constante propia y característica de cada

material. Tiene dimensiones de velocidad y se puede definir como el volumen de agua

gravífica que fluye por unidad de tiempo a través de la unidad de superficie de sección

de acuífero, bajo un gradiente hidráulico unidad, a la temperatura de 20º C.

Q

L Arena

1

h3

2

3

4

h4

entraQ

sale

Plano de referencia

La ley de Darcy se expresa también:

q = Q/A o caudal que circula por m2 de sección

dh/dl = gradiente hidráulico (i), expresado en incrementos infinitesimales, también

puede ser Δh/Δl. El signo negativo significa que la dirección del caudal es hacia los h

decrecientes.

4.2. Velocidad real y velocidad de Darcy

Ya sabemos que el caudal que circula por un conducto = sección x velocidad fluido. Por

tanto, si aplicamos esto a la ley de Darcy, obtenemos la denominada Velocidad de

Darcy (vD), velocidad de flujo o caudal (flujo) específico:

En materiales con el mismo k, la esta velocidad depende del gradiente.

Q=k . A . i ; q=−k . i=−k dhdl

Q=k . A . i ; q=QA

=v D=k . i

La velocidad de Darcy es una velocidad de flujo falsa o aparente, puesto que el agua no

circula por toda la sección del cilindro de arena, sino por una pequeña parte de ella, la

que no está ocupada por los granos de arena. Es decir, es la velocidad que llevaría el

agua si circulara por toda la sección del medio poroso:

Velocidad de Darcy = Caudal / Sección total

Esa parte de la sección total por la que circula el agua es la porosidad eficaz, si una

arena tienen una porosidad del 10% (0.1), el agua solo circula por el 10% de la

sección total. Para que el mismo caudal circule por una sección 10 veces menor, la

velocidad del flujo será 10 veces mayor. Se cumple que la Velocidad Real del agua (*):

siendo me la porosidad eficaz (< 1).

La ley Darcy generalizada se puede escribir también como un potencial de

velocidades:

y como v es un vector, en un medio homogéneo y anisótropo, tiene distintas

componentes en los tres ejes espaciales:

5. Factores de los que depende la permeabilidad

a) Diámetro de los granos. k = C.d2

Siendo d es diámetro de los granos, y C una constante variable de unos materiales a

otros que toma un valor de 100. La cantidad y distribución de arcillas y finos en los

materiales condiciona el valor de k, haciendo que sea mayor en la horizontal que en la

vertical.

vD < vRvR=v D

me= k .i

me

v⃗=−k . grad i

vx=−k x∂h∂ x

; v y=−k y∂ h∂ y

; vz=−k z∂h∂ z

b) Superficie específica de los granos.

Es elevada en los finos y propicia una alta absorción de agua, aunque no la transmiten.

La k es inversamente proporcional al cuadrado de la superficie específica.

c) Porosidad.

Una roca muy porosa no tiene por qué tener un elevado valor de k. Por ello es preciso

referirse a la porosidad eficaz, es decir, a los huecos interconectados entre sí y capaces

de transmitir agua gravífica.

d) Temperatura y peso específico.

Un incremento de temperatura se traduce en incremento de la k (apart. 1.3). Las

aguas subterráneas poseen tª muy constante, por lo que el efecto de la temperatura

sobre la k será notable en el caso de las aguas termales, los procesos de recarga

artificial e inyección. Asimismo, la tª afecta a la solubilidad de los gases en agua, los

libera y baja la k.

6. MÉTODOS DE ESTIMACIÓN Y MEDIDA DE LA PERMEABILIDAD

I. Fórmulas y gráficosII. Laboratorio

Permeámetro de carga fija

Permeámetro de carga variable

Permeámetro diferencial

III. CampoPruebas de bombeo

Ensayos de inyección

Métodos con trazadores

Métodos de superficie

I. Fórmulas y gráficos

Estiman la k en detríticos a partir de la granulometría. Valores son como muchos

orientativos. Ejemplos de fórmulas:

• RUMER (1969)

• HAZEN (1895)

• SLICHTER (1905)

• TERZAGHI (1925)

• KOZENY (1927)

• FAIR Y HATCH (1935)

Por ejemplo:

Hazen (1895): En arenas uniformes con d10 = 0.1 - 3 mm:

Ejemplo de gráficos: BREDDIN (1963). Basado en curvas granulométricas de un

sector de Alemania, clasifica a los terrenos en acuíferos buenos, muy buenos,

pobres, muy pobres, regulares e impermeables.

Valores de Permeabilidad según Terzaghi & Peck (1967)

k=100d102

II. Laboratorio

Mediante permeámetros o aparato que reproduce el experimento de Darcy. Constan

de un cilindro donde se introduce la muestra entre dos membranas. Ésta puede ser

muestra cohesiva o de roca. Existen 3 tipos:

a. Permeámetro de carga fija

L: altura de la muestra

A: Sección de la muestra

H: Diferencia de carga hidráulica

V: Volumen de agua medido

t: tiempo del ensayo

V=qt=kiAt=k HL

At

k=VLHAt

Ensayo que requiere un gran caudal de agua para obtener resultados

precisos

Suelos de baja permeabilidad (limos, arcillas):

Tiempo de ensayo muy prolongado (saturación de muestra,

establecimiento de flujo, volumen de agua medible)

Gasto de agua excesivo

Ensayo recomendable para suelos de alta permeabilidad (arenas y gravas).

b. Permeámetro de carga variable

L: altura de la muestra

A: Sección de la muestra

a: Sección de tubo alimentador

h1: Carga hidráulica inicial

h2: Carga hidráulica final

t: tiempo del ensayo

dh: descenso de agua en un dt

L

H

A

V

PiedrasPorosas

Rebosadero

Rebosadero

Alimentación

k=aLAt

ln ( h1

h2)=2,3 aL

Atlog (h1

h2)

Ensayo adecuado para suelos de permeabilidad media a baja (limos,

algunas arcillas)

En suelos de muy baja permeabilidad:

Tiempos de ensayo muy prolongados (saturación de muestra,

establecimiento de flujo, descenso de agua medible)

Evaporación de agua en tubo alimentador conduce a errores

Cambios de temperatura durante ensayo conduce a errores

c. Permeámetro diferencial

l: altura de la muestra

A: Sección de la muestra

a: Sección de tubo alimentador

h0: Diferencia de carga hidráulica inicial

h: Diferencia de carga hidráulica final transcurrido un tiempo t

L

h1

A

PiedrasPorosas

h2

dh

a

Rebosadero

k= al2 At

ln( Δho

Δh )

t: tiempo del ensayo

Diferencia de carga no debe ser muy elevada para que se cumpla la ley de

Darcy

Tiempos de ensayo muy largos (meses).

Problemas de evaporación de agua (uso de una carcasa).

Crítica de los Ensayos de Carga (permeámetros)

Conveniencia de realizarlos sobre muestras pequeñas para reducir tiempos

de ensayos

Problemas de representatividad de las muestras:

Tamaño de la muestra vs. dimensiones del terreno en estudio

(acuífero)

No representa casos de suelos estratificados, y falta de disposión

exacta para los materiales detríticos sueltos

Valor de k puntual del lugar donde se tomó la muestra

Aumento de k por problemas de borde entre muestra y molde de ensayo

Dificultad para medir kH

Sólo se hacen para suelos saturados.

III. Campo

a. Pruebas de bombeo

A través de los ensayos de bombeo (próximas lecciones) se determina la T del

acuífero, y si conocemos el espesor saturado del mismo (b): T = k.b. Los

valores así hallados son representativos de un sector de acuífero.

b. Ensayos de inyección (SLUG TESTS)

Corta duración y aplicables a la ZS y ZNS. Se basan en inyectar a presión un

caudal de agua en las paredes de un sondeo (tramo de unos 5 m) y medir los

ajustes de nivel en el sondeo en el tiempo. Se efectúa a presiones crecientes (<

10 atms para no fracturar el terreno) y después decrecientes. La presión se

mide con manómetro y el caudal con un contador. Son métodos de campo y

típicos en Geotécnia.

Se distinguen 3 tipos:

- LUGEON (materiales consolidados)

- LEFRANC (materiales sueltos)

- GILG-GAVARD

Ensayo LUGEON

c. Métodos con trazadores

Los trazadores miden la velocidad real de circulación del agua en un acuífero

(vR), conocidas la porosidad (m) y el gradiente hidráulico (i):

Valor calculado es de tipo local en muchos casos

d. Métodos de superficie

Interesantes por su fácil y rápido empleo y altas prestaciones. Se basan en la

medición del tiempo que tarda el agua en infiltrarse en un sector de terreno

acotado. Se trabaja en la zona no saturada, aunque también se puede saturar el

suelo previamente. Mide la k en la zona superior del suelo, aunque aquella

varía en profundidad. Como ventaja principal tiene que la muestra es casi

inalterada, dado que se realiza in situ. Hay dos tipos principales:

- INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO

- MÉTODO DE LA ZANJA DE HAEFELI

- INFILTRÓMETRO DE DOBLE ANILLO

k: permeabilidad en m/s

t: tiempo en s

I: Volumen de infiltración acumulada en m

S: coef. Absortividad en m.s-1/2

- MÉTODO DE LA ZANJA DE HAEFELI

k: coeficiente de infiltración o permeabilidad en cm/s

Q: caudal en cm3/s

k=v R m

i

b: anchura de la base inferior

S: superficie del agua a la altura h

V: velocidad de infiltración en la superficie en cm/s

CONCLUSIONES

La permeabilidad es la capacidad que poseen las rocas, el suelo y otras sustancias

porosas de permitir el ingreso de fluidos en ellas. En este experimento, medimos la

velocidad de flujo del agua en el suelo.

Existen muchos factores que afectan la permeabilidad.

La porosidad, que es el porcentaje de espacio vacío que contiene un sólido, determina

la cantidad de espacio que tienen los líquidos para fluir en el sólido. Pero el tamaño y

la forma de los poros también es importante. Es posible que dos rocas presenten la

misma porosidad, es decir, la misma cantidad total de espacios porosos, pero la roca

con poros más grandes puede ser más permeable. Esto se debe a que los poros más

pequeños ofrecen mayor resistencia a fluir porque se produce una adhesión entre el

fluido y las paredes de los poros. La forma de los poros también afecta la

permeabilidad por razonas similares. Cuanto más contacto se produce entre el fluido y

las superficies porosas, menor es la permeabilidad.

La interconexión entre los poros es también clave. En el experimento de la capacidad

de absorción de la roca comparamos la piedra pómez con una tiza. La tiza pudo

absorber mucha más agua que la piedra pómez a pesar de ser más densa y, por lo

tanto, seguramente menos porosa. Pero la piedra pómez, que es producto de la

actividad volcánica, presenta poros aislados que se formaron como consecuencia de

las burbujas de gas en la roca derretida que finalmente se transformó en piedra

pómez. Estos poros, si bien pueden representar un gran porcentaje del volumen de la

roca, no están conectados entre sí y, por esta razón, los líquidos no pueden fluir

fácilmente en este tipo de rocas.

En nuestro experimento del suelo, un factor adicional es la cantidad de agua que ya

está en la tierra. La velocidad de flujo disminuirá si el suelo ya contiene agua. Si el

terreno está saturado, como podría suceder después de una lluvia intensa, el agua no

fluirá. Ésta constituye una de las causas de inundación.